翅片管和热管系列讲座2

第七讲翅片管的传热系数和传热热阻

主讲人哈尔滨工业大学刘纪福教授

本讲的内容是翅片管换热器设计方法的主要组成部分。涉到传热学的基本概念和基本定义。本讲座并不想深入到传热原理的系统讲解中去，也不想追求理论上的严谨和完整，而是想结合翅片管的结构特点，尽量通俗地讲解必须要知道的一些基本内容，期望非专业人士也能够掌握或部分地掌握翅片管换热器的设计计算方法。

1.翅片管的传热过程

这儿讲的“传热”不是通俗的对传热现象的一般称呼，而是一个专有名词。传热的定义是：热量从热流体经过管壁传给冷流体的过程。如下一小节的附图所示。传热过程由三个分过程组成：

（附图中，假定热流体在管内，冷流体在管外，反之也然。）

过程1：热量Q（W或KW）由热流体传给管壁（管内壁），第一讲已讲过，这一过程属“对流换热”，其对流换热系数为hi (W/（㎡·ºC)）。（此后,角标“i”代表“内部”，角标“o”代表“外部”，而角标“w”代表管壁。），这一对流换热过程对应的温差为（Ti-Twi）,此处，Ti为管内流体温度，Twi为管内壁温度。

过程2：热量Q从管子内表面传给管外表面，因为热量是在固体内部传递，这一过程叫“导热”或“热传导”。此过程对应的温差为（Twi- Two）。

过程3：热量Q从管外表面传给管外冷流体的过程。这一过程属“对流换热”，对应的温差为(Two- To), 其对流换热系数为h o . 应当指出的是，此处，Two是基管的外表面温度，因此，ho是以基管外表面积为基准的换热系数。在第四讲中，讲述了翅片管外表面为基准的换热系数h 的计算。两个换热系数ho和h的换算关系见第四讲中的说明：

h0 = h×β×η

式中，β为翅化比，即加翅片后面积扩大的倍数，

η为翅片效率，是小于1的数。

加翅片后的总效果是ho » h 。

下面举几个传热过程的实例：

【例1】：一个蒸汽加热器，用管内的蒸汽加热翅片管外的空气，这是一个典型的传热过程：热量从管内的热流体（蒸汽的凝结）通过翅片管的管壁传给冷流体（空气）。

【例2】：某一翅片管式锅炉省煤器，热量从管外流动的高温烟气通过管壁传给管内的冷流体——水，这也是一个典型的传热过程。

【例3】：家用暖气片，暖气片内流动的是热水，暖气片外是室内空气的自然对流。从内部的热水通过暖气壁面传给冷流体——空气的过程是一个典型的传热过程。

应当指出，在稳定状态下，传热量Q在任一分过程中保持同一数值，即传入的Q值等于传出的Q值。所谓稳定状态，是指系统和设备的各点温度不随时间而变化时的状态。

2.传热系数

翅片管的传热过程，可用下面的图解加以说明，并最后推出传热系数的定义和表达式。

过程1 ------- 过程2 ------过程3

得到下式：

Q 1 δ 1 Ti-To = ——( ——＋——＋——）

A hi λ ho

A ( Ti – To )

Q = —————————————

1 δ 1

——＋——＋——

hi λ ho

从而得出最重要的传热公式：

Q = A K△T;

1

K= —————————————; △T=Ti-To

1 δ 1

——＋——＋——

hi λ ho

Q

式中，K= ————，叫传热系数，表示单位面积、单位温差( Ti –To )时传

A △T

热量。单位为W/（㎡·℃）

3. 传热热阻及数量级分析

传热系数可表示为传热热阻的形式：

A △T A △T

Q= ————— = —————

1/K R总

（1/K）越大，传热量越小，所以（1/K）叫作传热热阻，用R总表示。

1 1 δ 1

——= ——＋——＋——

K hi λ ho

R总=Ri + Rw + Ro

式中，R总= 1/K，为传热热阻，单位为：（㎡·℃）/w

Ri，Rw，Ro分别代表串联于传热过程中的管内对流换热热阻，管壁热阻和管外对流换热热阻。如下图所示：

此主题相关图片如下：

得到下式：

从而得出最重要的传热公式：

3. 传热热阻及数量级分析

传热系数可表示为传热热阻的形式：

（1/K）越大，传热量越小，所以（1/K）叫作传热热阻，用R总表示。

式中，R总= 1/K，为传热热阻，单位为：（㎡·℃）/w

Ri，Rw，Ro分别代表串联于传热过程中的管内对流换热热阻，管壁热阻和管外对流换热热阻。如下图所示：

在翅片管的传热过程中，各项热阻的大小是不同的，比较如下：

对于管内为水的流动：hi≈5000 W/（㎡·℃）, Ri=1/hi=0.0002 （㎡·℃）/W

设管壁厚度δ=0.003m, 导热系数λ=40 W/（m·℃）(对碳钢)

管外为翅片管，设基管外表面的换热系数ho=200 W/（㎡·℃）,

Ro=1/ho=0.005（㎡·℃）/W

上例中，RRi:Rw=1 : 0.04 : 0.015 ；

由此可见，管壁导热热阻Rw=δ/λ很小，约占总热阻的1% 左右，可忽略之。

为了设计安全，对翅片管传热，可取f =0.8～0.9。主要考虑：管面的污垢和积灰是一项附加的热阻，可使R总增大，使传热系数有所下降。此外，系数f也考虑了管内热阻Ri及管壁热阻Rw的影响。

一般，f值可按下表选取

特殊情况：若管内为制冷剂或碳/氢化合物的液体或相变时，可取f =0.7

4. 传热系数的估算表

根据简化后的传热系数K的计算式：K=ho×f

及翅片管管外换热系数的换算式：ho=h×β×η

利用第二讲，第四讲中h, β,η的计算结果,可以得出不同情况下的传热系数K的估算值，见下表。表中包括了目前常用的翅片管规格和常见的冷热流体的情况，与精确的计算结果相比，误差在±10% 左右，是可以接受的。

气体绕流翅片管束时的换热系数和传热系数计算表

h , ho W/（㎡·℃), K W/（㎡·℃)